(57)【要約】  本発明は、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コアと、第１のコアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合された第１の液圧チャンバと、第２の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コアと、第２のコアの一端と連通し、第２のコアの運動をエネルギーに変換するように適合された第２の液圧チャンバとを備えるエネルギー回収システムを提供する。エネルギー貯蔵デバイスは、動作中に第１の液圧チャンバと第２の液圧チャンバとからのエネルギー出力の相違を吸収するように構成および適合される。
2019519721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コアと、
前記第１のコアの一端と連通し、前記コアの運動をエネルギーに変換するように適合された第１の液圧チャンバと、
第２の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コアと、
前記第２のコアの一端と連通し、前記第２のコアの運動をエネルギーに変換するように適合された第２の液圧チャンバと、
を備えるエネルギー回収システムであって、
エネルギー貯蔵デバイスが、動作中に前記第１の液圧チャンバと前記第２の液圧チャンバとからのエネルギー出力の相違を吸収するように構成および適合される、
エネルギー回収システム。
【請求項２】
前記エネルギー貯蔵デバイスは、圧力アキュムレータを備える、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
【請求項３】
前記エネルギー貯蔵デバイスは、機械的なデバイスを備える、請求項１または２に記載のエネルギー回収システム。
【請求項４】
前記エネルギー貯蔵デバイスは、偏倚デバイスを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
【請求項５】
前記第１の液圧チャンバと前記第２の液圧チャンバとを接続するように構成された伝送ラインを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
【請求項６】
前記第１のコアと前記第２のコアとが、互いに流体連通し、かつ浸漬チャンバ内に収容されており、流体を受け取るための前記第１のコアにおける単一の入口と、前記受け取られた流体を放出するための前記第２のコアにおける単一の出口とを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
【請求項７】
前記第１のコアの前記入口と前記第２のコアの前記出口との機能は、前記流体の流れが逆になるように前記流体を受け取るように、交替される構成である、請求項６に記載のエネルギー回収システム。
【請求項８】
前記第１および第２のコアは、第１および第２の浸漬チャンバ内に収容され、チャネルによって接続されて単一のコア対を画定する、請求項６または７に記載のエネルギー回収システム。
【請求項９】
第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コア、および前記第１のコアの一端と連通し、前記コアの運動をエネルギーに変換する第１の液圧チャンバを配置するステップと、
第２の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コア、および前記第２のコアの一端と連通し、前記第２のコアの運動をエネルギーに変換する第２の液圧チャンバを配置するステップと、
エネルギー貯蔵デバイスを使用することによって、動作中に前記第１の液圧チャンバと前記第２の液圧チャンバとからのエネルギー出力の相違を吸収するステップと
を含むエネルギー回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、エネルギー回収の分野に関し、特に、エネルギー回収のための形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
低位熱は、産業プロセス、発電、および輸送の用途における重要な廃エネルギーの流れである。低位熱は通常、１００度未満と考えられる。そのような廃エネルギーの流れの回収および再使用が望ましい。この目的のために提案されている技術の一例は、熱電発電機（ＴＥＧ）である。残念ながら、ＴＥＧは比較的高価である。そのようなエネルギーを回収するために提案されている別の多分に実験的な手法は、形状記憶合金の使用である。
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）は、元の冷間鍛造形状を「覚えて」おり、いったん変形された後、加熱すると変形前の形状に戻る合金である。この材料は、液圧式、空気圧式、およびモータ式のシステムなど従来のアクチュエータに代わる軽量の固体代替物である。
【０００４】
形状記憶合金の主な種類は、銅−亜鉛−アルミニウム−ニッケル合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、およびニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金の３種であるが、例えば亜鉛、銅、金、および鉄を合金化にすることによってＳＭＡを作製することもできる。
【０００５】
そのような材料の記憶特性は、１９７０年代初頭から、熱回収プロセスにおいて、特に運動として熱からエネルギーを回収するＳＭＡエンジンを構築することによって採用または提案されている。エネルギー回収デバイスに関する最近の刊行物として、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号が挙げられる。ＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮を機械的な力に効率的に変換することが望ましい。これは容易なことではなく、全体として複雑であり、かなりのエネルギー損失を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、１つの目的は、エネルギー回収デバイスにおける改良されたシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載の通り、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コアと、第１のコアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合された第１の液圧チャンバと、第２の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コアと、第２のコアの一端と連通し、第２のコアの運動をエネルギーに変換するように適合された第２の液圧チャンバとを備えるエネルギー回収システムであって、エネルギー貯蔵デバイスは、動作中に第１の液圧チャンバと第２の液圧チャンバとからのエネルギー出力の相違を吸収するように構成および適合される、エネルギー回収システムが提供される。
【０００８】
本発明は、一貫性のないＳＭＡコア動作によるＳＭＡコア出力（変位、力、または圧力）の相違の問題を解決する。一貫性のない出力は、異なる流体入力温度、コアアセンブリ内の非一貫性、またはワイヤ化学成分の相違によるものであり得る。
【０００９】
一実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスは、アキュムレータを備える。
【００１０】
一実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスは、機械的なデバイスを備える。
【００１１】
一実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスは、偏倚デバイスを備える。
【００１２】
一実施形態では、第１の液圧チャンバと第２の液圧チャンバとを接続する伝送ラインが設けられる。
【００１３】
一実施形態では、第１のコアと第２のコアとは、互いに流体連通し、かつ浸漬チャンバ内に収容されており、流体を受け取るための第１のコアにおける単一の入口と、受け取られた流体を放出するための第２のコアにおける単一の出口とを備える。
【００１４】
一実施形態では、第１のコアの入口と第２のコアの出口とは、流体の流れが逆になるように上記流体を受け取るように周期的に交替される。
【００１５】
一実施形態では、第１および第２のコアは、第１および第２の浸漬チャンバ内に収容され、チャネルによって接続されて単一のコア対を画定する。
【００１６】
さらなる実施形態では、
第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コア、および第１のコアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換する第１の液圧チャンバを配置するステップと、
第２の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コア、および第２のコアの一端と連通し、第２のコアの運動をエネルギーに変換する第２の液圧チャンバを配置するステップと、
エネルギー貯蔵デバイスを使用することによって、動作中に第１の液圧チャンバと第２の液圧チャンバとからのエネルギー出力の相違を吸収するステップと
を含むエネルギー回収方法が提供される。
【００１７】
本発明は、添付図面を参照して単に例として提示される本発明の実施形態の以下の記載からより明確に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】既知のエネルギー回収システムを示す図である。
【図２】第１の液圧チャンバおよび第２の液圧チャンバと連通する第１のコアおよび第２のコアを示す本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図３】第１および第２のコアに関して例示した変位／力／圧力と時間とのグラフを示す図である。
【図４】互いに流体連通し、かつ第１の液圧チャンバおよび第２の液圧チャンバと連通する第１のコアおよび第２のコアを示す本発明の第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）のいずれかを使用して低位熱から動力を発生させることができる開発中の熱回収システムに関する。
【００２０】
以下、図１を参照して、エネルギー回収デバイスの例示的な既知の実施形態を述べる。この実施形態は、参照番号１で示されるＳＭＡエンジンを採用するエネルギー回収デバイスを提供する。ＳＭＡエンジン１は、ＳＭＡ稼働コアを備える。ＳＭＡ稼働コアは、固定された第１の点にクランプまたは他の方法で固着されたＳＭＡ材料から作製される。反対側の端部では、ＳＭＡ材料は、駆動メカニズム２にクランプまたは他の方法で固着されている。したがって、駆動メカニズム３を引っ張るにもかかわらず、第１の点は固定されており、第２の点は自由に動くことができる。浸漬チャンバ４が、ＳＭＡエンジンを収容するように適合されており、また、流体を順次満たされてＳＭＡエンジンの加熱および／または冷却を可能にするように適合されている。したがって、ＳＭＡコアは、熱を加えられると自由に収縮可能である。適切には、ＳＭＡコアは、ＳＭＡ材料の複数の平行なワイヤ、リボン、またはシートを備える。本発明の文脈において、用語「ワイヤ」は、コアとして作用することができる任意の適切な長さのＳＭＡまたはＮＴＥ材料を意味するものとして使用し、広い解釈を与えられることを理解されたい。
【００２１】
典型的には、そのようなコアでは、４％前後の撓みが一般的である。したがって、長さ１ｍのＳＭＡ材料が採用されるとき、約４ｃｍの直線運動が利用可能であると予想することができる。発生する力は、使用されるワイヤの質量によって決まることを理解されたい。そのようなエネルギー回収デバイスは、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号に記載されており、その特許文献を参照により本明細書に完全に組み込む。
【００２２】
そのような用途では、熱源にさらされたときのそのような材料の収縮が捉えられ、使用可能な機械的仕事に変換される。そのようなエンジンの動作要素に有用な材料は、ニッケル−チタン合金（ＮｉＴｉ）であることが分かっている。この合金は、よく知られている形状記憶合金であり、様々な産業にわたる多くの用途がある。本発明の文脈では、任意の適切なＳＭＡまたはＮＴＥ材料を使用することができることを理解されたい。
【００２３】
動作中のコア内の（複数のワイヤとして提供される）この合金の収縮および伸張によって、ピストンおよび伝動メカニズムを介して力が生成される。したがって、特定の構成の要件および必要とされるＳＭＡ材料の質量に応じて、複数のＳＭＡワイヤをまとめて採用し、互いに実質的に平行に間隔を空けて配置して、単一のコアを形成することができる。本システムおよび本発明は、束構成で配置されてコアを画定する複数の細長いワイヤ要素を備えるそのようなエンジンコアに関連する問題を解決することを対象とする。
【００２４】
動作中のコアが高温の流体の流れにさらされると、合金、または複数のワイヤが反応して、長手方向に強く収縮する。低温の流体の流れにさらされると、合金は、その元の長さに戻る。この反応の時間は、動力発生を考えるときに最も重要である。伝動システムを介して接続された２つのコアが異なる温度にさらされる場合、例えば１つのコアが９０℃にさらされ、隣接するコアが８５℃にさらされる場合、問題が生じる。そのような状況では、高いほうの温度にさらされる合金が、他方の合金コアよりも速く反応する。そのような反応時間の不一致は、高い信頼性でのエンジンの動作に対して悪影響を及ぼし得る。なぜなら、コアの動的性能が一致しなくなり、モータの不規則な脈動、動的な不平衡、早期疲労などの問題を引き起こす可能性があるためである。
【００２５】
本発明は、システムモータ回転の一貫性に影響を及ぼす可能性があるコア作動時間、したがってコアによる動力発生の相違を平衡させるためのシステムおよび方法を提供する。本明細書で述べる本発明の方法およびシステムは、流体の流れが並列の複数のコアを満たす個別並列構成で、または流体の流れが直列の複数のコアを満たすカスケード構成でコアが動作されるときに効果的であり得る。
【００２６】
並列コア実施形態
個別並列構成では、（ＳＭＡの変位、ＳＭＡによって発生される力、またはコア内で生成される圧力のいずれかの変化率の相違による）動力発生量の相違は、コアまたはコアを収容するチャンバに入るときの高温流体の温度の相違によることがある。流体入力温度が高いほど、流体入力温度が低い場合よりも速くＳＭＡ反応が生じる。温度が高いほど、ＳＭＡ要素の温度が速く上昇し、その結果、早い時点で相変化（または収縮）が完了する。カスケード構成において、コアの直列チェーン内の始めのほうのコアによって流体から熱が抜き取られるため、チェーン内の後のほうのコアの流体入力温度が常に低くなる。
【００２７】
図２に、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コア１０と、第１のコア１０の一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合された第１の液圧チャンバ１１とを示す。第２の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）コア１２と、第２のコアの一端と連通する第２の液圧チャンバとは、コアの運動をエネルギーに変換するように適合されている。第１の液圧チャンバ１１と第２の液圧チャンバ１３とを接続する伝送ライン１４が設けられている。図２に概略的に示す例では、コア１の入力温度は９０℃であり、コア２の入力温度は８５℃である。この温度の相違により、第１および／または液圧チャンバ内での動力行程の動作の効率が悪化し得る。
【００２８】
図３に、ダイアグラムの各コアの下に示した変位／力／圧力と時間とのグラフを示し、これらの入力流体温度にさらされたときのＳＭＡの変化率の相違を示す。その結果、ＳＭＡ作動時に各液圧チャンバから出る流体のパルスが異なる。
【００２９】
さらに、図２に、動作中に第１の液圧チャンバ１１と第２の液圧チャンバ１３からのエネルギー出力の相違を吸収するように構成および適合されたエネルギー貯蔵デバイス１５を示す。液圧モータ１６も設けられている。貯蔵デバイス１５は、伝送ライン１４に配置され、動作中に液圧チャンバ１１、１３からの出力の相違を吸収することができる。貯蔵デバイス１５は、アキュムレータや、ばねなどでよい。動力行程中に最大量のエネルギーを抽出するために、コア動作のタイミングは、許容最低流体入力温度でコアが作動するのにかかる時間を包含する時間に常に設定しなければならない。
【００３０】
カスケードコア実施形態
第２の実施形態では、上で概説したのと同様に、エネルギー回収システムが高温の流体の流れにさらされるとき、コアが反応して、長手方向に強く収縮することを理解されたい。低温の流体の流れにさらされると、合金は、その元の長さに戻る。この反応の時間は、動力発生を考えるときに最も重要である。
【００３１】
図４に、互いに流体連通し、かつ第１の液圧チャンバ１１ａおよび第２の液圧チャンバ１３ａと連通する第１のコア１０ａおよび第２のコア１２ａを示す本発明の第２の実施形態を示し、カスケード実施形態と呼ぶ。第１および第２のコアは、チャネルによって接続された浸漬チャンバ内に収容されている。
【００３２】
図４のカスケード実施形態では、流体が１つのコアに入力され、その出力が直列の別のコアに接続され、流体は直列の複数のコアを通して流される。流体が通過するときに各カスケードが流体から熱を抜き取るため、カスケード内の最初のコアが常により高い流体温度にさらされる。これにより、ＳＭＡストランドがカスケードチェーン内の次のコアに比べて短時間で加熱されるため、ＳＭＡコアがより速く応答し、これにより、より高い変化率の変位、力、および圧力が、内部コアハウジングおよび関連の伝動要素に加えられる。
【００３３】
これにより、カスケード内で１つのコアと後続のコアとに加わる応力の不平衡が生じる可能性がある。この問題に取り組むために、第１および第２のコアまたは「コア対」１０ａ、１２ａの間でコアの疲労を平衡させる方法が提示されている。これは、各コアにおいて同じ種類のＳＭＡを使用することを含む（与えられた例では８０℃のオーステナイト仕上げ（Ａｆ）温度を持つ種類だが、任意の種類が許容可能である）。コア対の入口と出口は周期的に交替され、それにより、各コアが、より高い入口温度およびより速い関連のＳＭＡ反応を受けることを可能にし、したがって各コアユニットに取り付けられた伝動要素が受ける応力を平衡させる。
【００３４】
本発明のシステムをさらに拡張するために、コア対を互いに結合することができ、それによって、図４に示すように、第１のコア対１０ａ、１２ａに加えて、第２のコア対１０ｂ、１２ｂが、対応する液圧チャンバ１１ｂおよび１３ｂと共に設けられる。コア対のこの増加は、チェーン内のいずれかのコアに入る流体温度がＡｆ未満に下がるまで続けることができる。この時点で、流体の温度は、コア内のＳＭＡを完全に作動させるのに十分なほど高くはない。
【００３５】
提示した解決策は、カスケード動作中にコアに加わる応力の不平衡の問題を解消する。コアがシステム全体にわたって不均一な応力プロファイルにさらされると、時間の経過とともに応力破壊が生じる可能性がある。
【００３６】
本明細書において、用語「備える」またはその任意の活用変化と、用語「含む」またはその任意の活用変化とは、完全に交換可能であるとみなされ、それらは全て、できるだけ広い解釈を与えられるべきである。
【００３７】
本発明は、本明細書で上述した実施形態に限定されず、構成と詳細のどちらについても変更することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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